EP3277481B1 - Verfahren und vorrichtung zum schichtweisen aufbau eines formkörpers - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for the layered construction of a shaped body from highly viscous photopolymerizable material with a viscosity of at least 10 Pa*s, in particular a resin with a ceramic filler, in which shaped body layers are formed one on top of the other in that a layer of material of a predetermined thickness of the highly viscous photopolymerizable material is formed and the construction platform or the shaped body at least partially built up on the construction platform is lowered into the material layer, so that a layer of the highly viscous photopolymerizable material forms between the construction platform or the shaped body and the trough floor, which layer is formed in particular by irradiation through the trough floor is cured in a site-selective manner to form the desired shape of the molded body layer.
- the invention further relates to a device for carrying out the method according to the invention.
- a method and an apparatus of the type mentioned are in WO 2010/045950 A1 and in the EP 2505341 A1 described.
- the method is used for the layered construction of a molded body using lithography-based additive manufacturing, for example rapid prototyping.
- a defined layer of photopolymerizable material which is located in a trough with a horizontal base that is designed to be translucent at least in some areas, is formed in the following manner.
- a vertically controlled moveable Build platform is supported by a lifting mechanism and is positioned on the tub so that it is under the control of a Control unit can be raised and lowered vertically by the lifting mechanism.
- the method described above is particularly suitable for processing high-viscosity photopolymerizable material.
- a high viscosity of the material can be observed, for example, in the case of ceramic-filled photopolymerizable material.
- the high viscosity of the photopolymerizable material causes a significant deterioration in processability in lithography-based additive manufacturing. If, in the context of the present invention, high-viscosity material is mentioned, this refers in particular to a viscosity of at least 10 Pa ⁇ s.
- gas bubbles in particular air bubbles
- air or gas bubbles can form in the photopolymerizable material in a number of ways; on the one hand due to the inclusion of gas immediately before exposure while the construction platform or the unfinished molded body is immersed in the material surface, and on the other hand due to the formation of foam when the exposed molded body layer is detached from the tank bottom.
- Gas bubbles in the material manifest themselves as gas inclusions in the green body and represent defects in the component structure that should be avoided, which can lead to cracking during debinding and sintering and component failure during use (e.g. in ceramic components).
- the WO 2012/143785 A1 discloses a device and a method for the layered construction of a shaped body made of photopolymerizable material.
- the invention essentially provides in a method of the type mentioned at the beginning that at least one material layer has a layer thickness variation in the lateral direction before the construction platform or the shaped bodies at least partially built up on the construction platform are lowered into the material layer.
- the material layer does not have the same layer thickness everywhere, but is thicker in at least one partial area than in another partial area. This leads to the construction platform or the unfinished molded body formed on it first touching the material layer in the area in which the layer thickness is greatest. It can be a punctiform, linear or two-dimensionally extending surface area. Only one area of the material layer can be provided with a greater layer thickness than the other areas, or two or more areas with a greater layer thickness than the other areas.
- gas bubbles form in particular when the construction platform or the unfinished shaped body is immersed in the material layer, specifically at the interface between the construction platform or the shaped body and the highly viscous photopolymerizable material.
- the location of the first contact of the lowering construction platform or the lowering shaped body with the material layer is specifically influenced by the material layer having a layer thickness variation in the lateral direction.
- the lateral thickness variation of the material layer can take many forms.
- a thickness variation can be provided in only one lateral extension or in two lateral extensions that are transverse to one another.
- the ramp shape is an example of an embodiment in which the layer thickness is varied in only one dimension, ie in a lateral direction.
- the at least one material layer can have a conical area.
- the cone shape is an example of an embodiment in which the layer thickness is varied in two dimensions, ie in a Cartesian coordinate system with a layer thickness defined in the z-direction in the x- and in the y-direction.
- the layer thickness is increased at points where bubbles with a large displacement path length can potentially occur, compared to the rest of the layer in order to ensure a greater local material flow.
- the material surface is significantly uneven in order to favorably define the contact points and to minimize the number of contact points entrapping bubbles.
- material is only applied approximately to the areas to be exposed in order to minimize the impairment of the material by scattered light.
- an adjustable squeegee or an adjustable trough is preferred, which applies the material before the exposure of the molded body layer depending on the lateral position.
- a made layer-dependent variation of the material layer thickness in addition to the lateral variation in the layer thickness, a made layer-dependent variation of the material layer thickness.
- the thickness of the material layer is varied at least once during the construction of the shaped body.
- the lowering path is the longer, the larger the material layer thickness is selected. Therefore, with an increase in the material layer thickness, the number of air bubbles in the area to be exposed can be significantly reduced.
- this method involves an increase in process time and a decrease in material quality due to the impact of stray light on an increased volume.
- the material layer thickness ie the fill level of the material located in the trough
- the layer-dependent variation of the material layer thickness is preferably carried out with the aim of minimizing the material layer thickness required for the formation of the respective molded body layer, namely to select just large enough so that the material flow occurring when the construction platform or the unfinished molded body is immersed in the material for the Displacement of the gas bubbles from the area to be exposed is sufficient.
- Varying the material layer thickness at least once during the construction process means that the material layer thickness is a function of the molded body layer number, i.e. the material layer thickness for the formation of at least one first molded body layer is selected differently than the material layer thickness for the formation of at least one further molded body layer. Provision is preferably made for the material layer thickness to be varied several times during the construction process. A procedure in which the material layer thickness is recalculated for the production of each molded body layer is particularly preferred.
- the material layer thickness is defined as the distance, measured at right angles to the trough floor, between the trough floor and the highest point of the material layer.
- the optimum material layer thickness for the formation of the respective molded body layer is preferably determined taking into account the geometry of the preceding molded body layer.
- the necessary material layer thickness can be estimated by determining the geometrically determined material flow and the geometrically determined path lengths of any bubbles that may be present, usually by a connected computing unit. If edges or bumps occur in the trough, from which air bubbles are difficult to detach, the material layer thickness is preferably also appropriately increased.
- the area of the preceding molded body layer can be used in a simple manner as a geometric feature that is taken into account when determining the respective material layer thickness.
- the method is then carried out such that the material layer thickness is varied depending on the area of the immediately preceding molded body layer.
- the thickness of the material layer is chosen to be greater, the larger the area of the directly preceding molded body layer is, since the length of the displacement path of bubbles increases with increasing area.
- the material layer thickness is a function of the area of the current layer and the area of the previously formed layer.
- the preceding molded body layer can also be used as a basis for determining the current material layer thickness.
- the presence of recesses and the like in the preceding molded body layer can be used as geometric features.
- the procedure can preferably be such that the material layer thickness is varied as a function of a calculated value of the displacement path length of bubbles occurring at the interface between the construction platform or the shaped body and the highly viscous photopolymerizable material.
- the tracking of the material is preferably carried out by means of material distribution with the aid of a squeegee, the layer thickness of the material layer being set by adjusting the distance between the lower edge of the squeegee and the bottom of the tub.
- FIG Figures 1 to 3 which one seen in itself already from the EP 2505341 A1 show known device.
- the device located in air or another gas atmosphere has a trough 1, the trough floor 2 of which is transparent or translucent at least in a partial area 3.
- This partial area 3 of the trough floor covers at least the extent of an exposure unit 4 which is arranged under the trough floor 2 .
- the exposure unit 4 has a light source (not shown) and a light modulator, with which the intensity can be controlled by a control unit and adjusted in a location-selective manner in order to apply an exposure field to the tank bottom 2 with the geometry desired for the layer currently being formed respectively.
- a laser can also be used in the exposure unit, the light beam of which successively scans the exposure field with the desired intensity pattern via a movable mirror that is controlled by a control unit.
- a construction platform 5 is provided opposite the exposure unit 4 above the trough 1 and is supported by a lifting mechanism, not shown, so that it is held in a height-adjustable manner above the trough floor 2 in the area above the exposure unit 4 .
- the construction platform 5 can also be transparent or translucent.
- the material level 7 of the bath is defined by a suitable element, such as a squeegee, which applies the material evenly to the tub bottom 2 in a specific material layer thickness a.
- the trough 1 can, for example, be assigned a guide rail on which a carriage is guided so that it can be displaced in the direction of the double arrow 8 .
- a drive ensures the back and forth movement of the carriage, which has a holder for a squeegee.
- the holder has, for example, a guide and an adjustment device in order to adjust the squeegee in the direction of the double arrow 9 in the vertical direction.
- the distance between the lower edge of the squeegee and the bottom 2 of the tub 1 can thus be adjusted.
- the squeegee is used when the construction platform is as in 1 shown is in the raised state, and serves to distribute the material 6 evenly while setting a predetermined layer thickness.
- the at The layer thickness of the material 6 resulting from the material distribution process is defined by the distance between the lower edge of the squeegee and the bottom 2 of the trough 1 .
- the resulting material layer thickness a is greater than the molded body layer thickness b ( 2 ).
- the procedure for defining a layer of photopolymerizable material is as follows. As in 2 shown, lowered in a controlled manner by the lifting mechanism, so that the underside of the lowermost layer 10′′′ of the molded body first touches the surface of the material bath 6 at height a, then dips in and approaches the tub floor 2 to such an extent that between the underside of the lowermost layer of molded bodies 10′′′ and the Tub floor 2 exactly the desired shaped body layer thickness b remains. During this immersion process, photopolymerizable material is displaced from the space between the underside of the bottom molding layer 10 ′′′ and the tub bottom 2 .
- the molded body layer thickness b As soon as the molded body layer thickness b has been set, the specific, site-selective exposure for this molded body layer takes place in order to harden the molded body layer 10'' in the desired shape.
- the construction platform 5 After the formation of the shaped body layer 10'', the construction platform 5 is raised again by means of the lifting mechanism, which in 3 state shown. The photopolymerizable material 6 is no longer present in the exposed area.
- air bubbles can form in the photopolymerizable material in several ways, which are described below in relation to 4 to be discribed.
- the first possibility for the formation of air bubbles occurs when the material bath 6 comes into contact with the construction platform 5 or the lowermost molded body layer 10 (hereinafter referred to as “contacting”), as shown in FIG 4 is explained.
- the contact does not initially take place over the entire surface of the bottom layer of molded body 10, but only at point 13 (referred to below as the contact point) of the smallest distance x between the bottom layer of molded body 10 and the material surface 7.
- the course of the contact is affected by unwanted irregularities in the material surface ( Figure 4a ) and in the construction platform 5 or the bottom molded body layer 10 ( Figure 4b ) determined, in the latter case in particular by non-hardened material 12 which adheres to the underside of the molded body layer 10 last exposed during the lifting of the construction platform 5 .
- FIG. 5 shows this case, where a two-dimensional system is assumed for the sake of simplicity without loss of generality.
- Figure 5a shows the last formed molded body layer 10 of the unfinished molded body 11, to which uncured material 12 sticks, and the material 6 in the trough 1.
- the uncured material 12 simultaneously forms two contact points 13 ( Figure 5b ), enclosing a gas bubble 14.
- Figure 5c With further lowering of the construction platform 5 ( Figure 5c ) the gas bubble is also pushed downwards and touches both the tub floor 2 and the construction platform 5 or the lowermost molded body layer 10.
- Air or gas bubbles are very often trapped in the first molded body layer 10′ in particular, since the entire construction platform 5, which generally exceeds the area of the molded body layers 10, is immersed in the photopolymerizable material 6 and the probability of multiple contact points increases .
- the probability of air pockets is lower if the construction platform 5 or the bottom molded body layer 10 and the surface 7 of the material 6 are not parallel when they touch, which significantly increases control over the position of the contact points and the time at which they begin.
- This can be realized in various configurations, eg by a trough 1 or construction platform 5 that can be adjusted in terms of angle, height or shape Possibilities, for example, a wavy surface 7 or a sloping surface 7. With a suitably selected material surface 7, it can be achieved that a single contact point gradually spreads over the entire component surface and no further contact points arise.
- Figure 6a shows an embodiment with such a material layer 6, the layer thickness a of which varies depending on the location or in the lateral direction.
- the material surface 7 forms an inclined plane and this results in the first contact point 13 at the highest point of the inclined plane, with the first contact point 13 gradually spreading over the component surface.
- Figure 6b shows an analogous embodiment, in which the material surface is pyramidal or conical.
- the air bubbles created when the material bath 6 comes into contact with the construction platform 5 or the lowermost molded body layer 10 can be removed by partially squeezing out the material 6 below the construction platform 5 or the lowermost molded body layer 10, which is explained below with reference to 7 is described.
- the lowermost molded body layer 10 contacts the material when the construction platform 5 is lowered at height a and, as it lowers further to the molded body layer thickness b, exerts force on the material 6 below, causing it to escape laterally from the gap 15 between the lowermost molded body layer 10 and the trough floor 2 is pushed out. If there are air bubbles 14 in the material, they are taken along by the material flow.
- Figure 8a shows a shaped body layer of a cylindrical shaped body 11, specifically a circle with radius R1.
- the arrows illustrate the various path lengths that a bubble 14 arising at points A, B, C or D must travel. have in comparison Bubbles E and F ( Figure 8b ), which can occur with a cylindrical shaped body with a radius R2 that is smaller than R1, shorter path lengths, and a smaller material layer thickness is therefore also necessary to produce a sufficient flow.
- Recesses also make the removal of air bubbles 14 more difficult due to the fact that an air bubble 14 can only detach itself from an edge on the component 11 delimiting a recess 16 due to surface tensions under the influence of force.
- the amount of material pushed out or pressed into holes 16 in the lowermost molded body layer 10 and the material flow disappear when choosing the layer thickness a of the material layer 6 and the layer thickness b of the molded body layer, so that a b, and increase with increasing Material layer thickness a.
- An increase in the material layer thickness a therefore ensures a reduced quantity of air bubbles 14 after the construction platform 5 has been lowered.
- the construction platform 5 or the unfinished molded body 11 can only be lowered slowly with high material layer thicknesses a because the material 6 has enough time to flow out of the Gap 15 must be given between the construction platform 5 or the bottom molded body layer 10 and the tub bottom 2 .
- This waiting time increases with increasing material layer thickness a and leads to a significant increase in the overall process time.
- the material layer thickness a is defined once and left the same over the entire construction process of the shaped body in question.
- the material layer thickness a is adjusted at least once during the construction process, in particular with regard to optimizing bubble displacement while minimizing the layer thickness in order to avoid the described disadvantages of large layer thicknesses as far as possible. It is preferably provided that an optimal layer thickness a of the material layer 6 is newly determined for each molded body layer to be exposed, so that the material flow occurring when the component 11 is immersed in the material 6 is sufficient to ensure the displacement of the gas bubbles 14 from the area to be exposed.
- the necessary material layer thickness is preferably estimated by determining the geometrically determined material flow and the geometrically determined path lengths of any bubbles that may be present, usually by a connected computing unit.
- the material layer thickness a is preferably increased.
- the material layer thickness a depends on the area of the molded body layer formed beforehand. In 11 a preferred linear relationship between the area A of the preceding molded body layer and the material layer thickness a is shown.
- the material layer thickness a(n) for a given layer n is not constant but is laterally location-dependent, ie a(n,x,y), where n represents a variable for the layer number. This can have various positive effects, as explained below.
- the material layer thickness a is increased in comparison to the rest of the material layer 6 at points where bubbles with a large displacement path length can potentially form, in order to locally ensure a greater material flow.
- 12 shows a material layer thickness a′ increased in the center of a circular material layer 6 .
- the material surface is significantly uneven in order to define the contact points and to minimize the number of contact points 13 enclosing bubbles 14 .
- Figure 6a 1 shows an embodiment with a location-dependent material layer thickness a, in which the material surface 7 forms an inclined plane and the first contact point 13 is thereby created at the highest point of the inclined plane and gradually spreads over the component surface.
- Figure 6b shows an analogous design in which the material surface is pyramidal or conical.
- material is essentially only applied to the areas to be exposed in order to minimize the impairment of the material by scattered light.
- material layer 6 present approximately in this area are shown.
- an adjustable element such as a squeegee, or an adjustable trough 1 is preferred, which applies the material before the exposure of the molded body layer n.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers aus hochviskosem photopolymerisierbarem Material mit einer Viskosität von mindestens 10 Pa*s, insbesondere einem Harz mit keramischem Füllstoff, bei dem nacheinander Formkörperschichten übereinander ausgebildet werden, indem jeweils in einer Wanne eine Materialschicht vorgegebener Dicke des hochviskosen photopolymerisierbaren Materials ausgebildet wird und die Bauplattform oder der an der Bauplattform zumindest teilweise aufgebaute Formkörper in die Materialschicht abgesenkt wird, sodass sich zwischen der Bauplattform bzw. dem Formkörper und dem Wannenboden eine Schicht des hochviskosen photopolymerisierbaren Materials ausbildet, die insbesondere durch Bestrahlung durch den Wannenboden hindurch ortsselektiv zur Ausbildung der gewünschten Form der Formkörperschicht ausgehärtet wird.
- Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind in der
WO 2010/045950 A1 und in derEP 2505341 A1 beschrieben. Das Verfahren dient zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers unter Anwendung einer lithographiebasierten generativen Fertigung, zum Beispiel Rapid Prototyping. Dabei wird eine definierte Schicht aus photopolymerisierbarem Material, das sich in einer Wanne mit einem wenigstens in Teilbereichen lichtdurchlässig ausgebildeten, horizontalen Boden befindet, auf folgende Weise gebildet. Eine vertikal gesteuert bewegliche Bauplattform wird von einem Hubmechanismus getragen und ist an der Wanne so angeordnet, dass sie unter Steuerung einer Steuereinheit durch den Hubmechanismus vertikal angehoben und abgesenkt werden kann. Durch Absenken der Bauplattform in das photopolymerisierbare Material in der Wanne wird Material aus dem Zwischenraum zwischen der Unterseite der Bauplattform und dem Wannenboden verdrängt. Durch genaues Einstellen der vertikalen Position der Bauplattform kann so eine Schicht aus photopolymerisierbarem Material zwischen der Unterseite der Bauplattform und dem Wannenboden mit genau definierter Schichtdicke erzeugt werden. Die so definierte Schicht aus photopolymerisierbarem Material wird dann durch ortsselektive Belichtung von unten durch den lichtdurchlässigen Wannenboden in der gewünschten Geometrie belichtet, um die Schicht dadurch an der Bauplattform auszuhärten. Anschließend wird die Bauplattform mit der daran ausgehärteten ersten Schicht angehoben und photopolymerisierbares Material in den belichteten Bereich nachgeführt. Diese Schritte werden wiederholt, um so den Formkörper aus aufeinanderfolgenden Schichten aufzubauen, wobei aber die Schicht aus photopolymerisierbarem Material nun nicht von der Bauplattform, sondern vom unfertigen Formkörper definiert wird. - Das oben beschriebene Verfahren ist insbesondere für die Verarbeitung von photopolymerisierbarem Material mit hoher Viskosität geeignet. Eine hohe Viskosität des Materials ist beispielsweise im Fall von keramikgefülltem photopolymerisierbaren Material zu beobachten. Die hohe Viskosität des photopolymerisierbaren Materials bedingt in der lithographiebasierten generativen Fertigung eine erhebliche Verschlechterung der Verarbeitbarkeit. Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von hochviskosem Material die Rede ist, so bezieht sich dies insbesondere auf eine Viskosität von mindestens 10 Pa·s.
- Eines der Probleme bei der Verwendung von hochviskosem photopolymerisierbaren Material liegt in der Entstehung von Gas-, insbesondere Luftblasen im Material. Im Laufe des Bauprozesses kann es auf mehrere Arten zur Bildung von Luft- bzw. Gasblasen im photopolymerisierbaren Material kommen; einerseits durch Einschluss von Gas unmittelbar vor der Belichtung, während die Bauplattform bzw. der unfertige Formkörper in die Materialoberfläche eintaucht, und andererseits durch Schaumbildung beim Ablösen der belichteten Formkörperschicht vom Wannenboden. Gasblasen in Material manifestieren sich als Gaseinschlüsse im Grünkörper und stellen zu vermeidende Defekte in der Bauteilstruktur dar, die zu Rissbildung beim Entbinden und Sintern und Bauteilversagen während der Anwendung führen können (z.B. bei keramischen Bauteilen).
- Aus der
WO 2013/026087 A1 ist eine Wanne mit einem flexiblen Wannenboden bekannt, der während des Eintauchens des Werkstückes verformt wird. - Die
WO 2012/143785 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers aus photopolymerisierbarem Material. - Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die Gaseinschlüsse im photopolymerisierbaren Material effektiv aus dem zu belichtenden Bereich entfernt werden oder ihre Entstehung von vornherein vermieden wird.
- Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen vor, dass wenigstens eine Materialschicht vor dem Absenken der Bauplattform oder der an der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper in die Materialschicht in seitlicher Richtung eine Schichtdickenvariation aufweist. Dies bedeutet, dass die Materialschicht nicht überall die gleiche Schichtdicke aufweist, sondern in wenigstens einem Teilbereich dicker ausgebildet ist als in einem anderen Teilbereich. Dies führt dazu, dass die Bauplattform bzw. der daran ausgebildete unfertige Formkörper die Materialschicht zuerst in dem Bereich berührt, in dem die Schichtdicke am größten ist. Es kann sich dabei um einen punktförmigen, linienförmigen oder sich zweidimensional erstreckenden Flächenbereich handeln. Es kann lediglich ein Bereich der Materialschicht mit gegenüber den übrigen Bereichen größerer Schichtdicke oder zwei oder mehrere Bereiche mit gegenüber den übrigen Bereichen größerer Schichtdicke vorgesehen sein.
- Wie bereits erwähnt, entstehen Gasblasen insbesondere beim Eintauchen der Bauplattform bzw. des unfertigen Formkörpers in die Materialschicht, und zwar an der Grenzfläche zwischen der Bauplattform bzw. dem Formkörper und dem hochviskosen photopolymerisierbaren Material. Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird der Ort des ersten Inkontaktkommens der sich absenkenden Bauplattform bzw. des sich absenkenden Formkörpers mit der Materialschicht gezielt beeinflusst, in dem die Materialschicht in seitlicher Richtung eine Schichtdickenvariation aufweist.
- Die seitliche Dickenvariation der Materialschicht kann in vielfältiger Form erfolgen. Insbesondere kann eine Dickenvariation in lediglich einer seitlichen Erstreckung vorgesehen sein oder in zwei quer zueinander stehenden seitlichen Erstreckungen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Materialschicht einen rampenförmigen Bereich aufweist. Die Rampenform ist ein Beispiel für eine Ausführungsform, bei der die Schichtdicke lediglich in einer Dimension, d.h. in einer Seitenrichtung variiert wird. Alternativ kann die wenigstens eine Materialschicht einen kegelförmigen Bereich aufweisen. Die Kegelform ist ein Beispiel für eine Ausführungsform, bei der die Schichtdicke in zwei Dimensionen, d.h. bei einem kartesischen Koordinatensystem mit in z-Richtung definierter Schichtdicke in x- und in y-Richtung variiert wird.
- In einer anderen Ausführungsform mit ortsabhängiger Materialschichtdicke, d.h. einer lateral variierenden Materialhöhe innerhalb einer Schicht, wird die Schichtdicke an Stellen, an denen potentiell Blasen mit großer Verdrängungsweglänge entstehen, gegenüber dem Rest der Schicht erhöht, um lokal für einen größeren Materialfluss zu sorgen.
- In einer weiteren Ausführungsform mit ortsabhängiger Materialschichtdicke ist die Materialoberfläche signifikant uneben, um die Kontaktpunkte günstig zu definieren und die Anzahl der Blasen einschließenden Kontaktpunkte zu minimieren.
- In einer weiteren Ausführungsform mit ortsabhängiger Materialschichtdicke wird annähernd nur an zu belichtenden Stellen Material aufgetragen, um die Beeinträchtigung des Materials durch Streulicht zu minimieren.
- Um die Materialschichtdicke mit lateraler Dickenvariation herzustellen, ist eine verstellbare Rakel oder eine verstellbare Wanne bevorzugt, die das Material vor der Belichtung der Formkörperschicht abhängig von der lateralen Position auftragen.
- In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird zusätzlich zur lateralen Variation der Schichtdicke eine schichtabhängige Variation der Materialschichtdicke vorgenommen. Bei der schichtabhängigen Variation der Materialschichtdicke wird die Dicke der Materialschicht während des Aufbaus des Formkörpers zumindest einmal variiert. Dieser vorteilhaften Weiterbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Absenken der Bauplattform bzw. des unfertigen Formkörpers in die Materialschicht ein Materialfluss erzeugt wird, der nicht nur Material, sondern auch eingeschlossene Gasblasen seitlich aus dem Spalt zwischen Bauplattform bzw. unfertigem Formkörper und Wannenboden hinausdrückt. Je größer der Absenkweg der Bauplattform bzw. des unfertigen Formkörpers im Material gewählt wird, desto mehr Material wird aus dem genannten Spalt verdrängt, und mit diesem die eingeschlossenen Gasblasen. Der Absenkweg ist dabei umso länger, je größer die Materialschichtdicke gewählt ist. Daher kann mit einer Steigerung der Materialschichtdicke die Anzahl der Luftblasen in der zu belichtenden Fläche signifikant reduziert werden. Diese Methode bringt jedoch eine Erhöhung der Prozessdauer und eine Verringerung der Materialqualität durch die Beeinträchtigung eines erhöhten Volumens durch Streulicht mit sich.
- Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass die Materialschichtdicke, d.h. die Füllhöhe des in der Wanne befindlichen Materials, während des Aufbaus des Formkörpers zumindest einmal variiert wird. Die schichtabhängige Variierung der Materialschichtdicke erfolgt hierbei bevorzugt mit dem Ziel, die für die Bildung der jeweiligen Formkörperschicht erforderliche Materialschichtdicke zu minimieren, nämlich gerade groß genug zu wählen, damit der beim Eintauchen der Bauplattform bzw. des unfertigen Formkörpers ins Material entstehende Materialfluss für die Verdrängung der Gasblasen aus dem zu belichtenden Bereich ausreichend ist.
- Das mindestens einmalige Variieren der Materialschichtdicke während des Bauprozesses bedeutet hierbei, dass die Materialschichtdicke eine Funktion der Formkörperschichtnummer ist, d.h. die Materialschichtdicke wird für die Ausbildung wenigstens einer ersten Formkörperschicht anders gewählt als die Materialschichtdicke für die Ausbildung wenigstens einer weiteren Formkörperschicht. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Materialschichtdicke während des Bauprozesses mehrmals variiert wird. Besonders bevorzugt ist eine Vorgehensweise, bei der die Materialschichtdicke für die Herstellung jeder Formkörperschicht neu errechnet wird.
- Mit Rücksicht darauf, dass die Materialschicht erfindungsgemäß ungleichmäßig dick ist, ist die Materialschichtdicke definiert als der im rechten Winkel zum Wannenboden gemessene Abstand zwischen dem Wannenboden und der höchsten Stelle der Materialschicht.
- Die Bestimmung der für die Ausbildung der jeweiligen Formkörperschicht optimalen Materialschichtdicke erfolgt bevorzugt unter Berücksichtigung der Geometrie der vorangehenden Formkörperschicht. Insbesondere kann die notwendige Materialschichtdicke durch Bestimmung des geometrisch bedingten Materialflusses und der geometrisch bedingten Weglängen von möglicherweise vorhandenen Blasen abgeschätzt werden, in der Regel von einer angeschlossenen Recheneinheit. Bevorzugt wird bei Auftreten von Kanten oder Unebenheiten in der Wanne, von denen sich Luftblasen schwer lösen, die Materialschichtdicke ebenfalls passend erhöht.
- Als Geometriemerkmal, das bei der Bestimmung der jeweiligen Materialschichtdicke berücksichtigt wird, kann in einfacher Weise die Fläche der vorangehenden Formkörperschicht herangezogen werden. Das Verfahren wird dann so durchgeführt, dass die Materialschichtdicke in Abhängigkeit von der Fläche der unmittelbar vorangehenden Formkörperschicht variiert wird. Dabei wird die Materialschichtdicke umso größer gewählt, je größer die Fläche der unmittelbar vorangehenden Formkörperschicht ist, da die Verdrängungsweglänge von Blasen mit steigender Fläche größer wird. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Materialschichtdicke eine Funktion der Fläche der aktuellen Schicht und der Fläche der davor gebildeten Schicht.
- Alternativ oder zusätzlich können aber auch andere Geometriemerkmale der vorangehenden Formkörperschicht als Grundlage für die Bestimmung der aktuellen Materialschichtdicke herangezogen werden. Als Geometriemerkmale können beispielsweise das Vorhandensein von Ausnehmungen und dgl. in der vorangehenden Formkörperschicht herangezogen werden.
- Allgemein kann bevorzugt so vorgegangen werden, dass die Materialschichtdicke in Abhängigkeit von einem errechneten Wert der Verdrängungsweglänge von an der Grenzfläche zwischen der Bauplattform bzw. dem Formkörper und dem hochviskosen photopolymerisierbaren Material entstehenden Blasen variiert wird.
- Um die einzelnen Materialschichten für die hintereinander herzustellenden Formkörperschichten auszubilden, wird bevorzugt so vorgegangen, dass die Bauplattform nach dem Aushärtungsschritt angehoben und zur Ausbildung der nächsten Formkörperschicht wieder in die Wanne abgesenkt wird, nachdem Material unter der angehobenen Bauplattform nachgeführt wurde, um die Materialschicht auszubilden.
- Die Nachführung des Materials wird in diesem Zusammenhang bevorzugt mittels Materialverteilung mit Hilfe einer Rakel vorgenommen, wobei die Schichtdicke der Materialschicht durch Einstellung des Abstands zwischen der Unterkante der Rakel und dem Wannenboden eingestellt wird.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, umfassend
- - eine Wanne mit einem zumindest bereichsweise lichtdurchlässigen Boden, in die hochviskoses photopolymerisierbares Material einfüllbar ist,
- - eine in einstellbarer Höhe und/oder mit einstellbarer Neigung über dem Wannenboden gehaltene Rakel zum Ausbilden einer Materialschicht auf dem Wannenboden, wobei zur Höhenverstellung eine Stelleinheit vorgesehen ist,
- - eine Bauplattform, die in einstellbarer Höhe über dem Wannenboden gehalten ist,
- - eine Bestrahlungseinheit, die zur ortsselektiven Bestrahlung einer zwischen der Unterseite der Bauplattform und dem Wannenboden ausgebildeten Formkörperschicht ansteuerbar ist,
- - einen elektronischen Speicher für ein virtuelles dreidimensionales Modell der Formkörperschichten und des daraus aufgebauten Formkörpers,
- - eine Steuereinheit, der das virtuelle Modell der Formkörperschichten zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, in aufeinanderfolgenden Bestrahlungsschritten übereinanderliegende Formkörperschichten auf der Bauplattform jeweils mit vorgegebener Geometrie durch Steuerung der Bestrahlungseinheit zu polymerisieren und in Abhängigkeit von der Geometrie der jeweiligen Formkörperschicht eine Vorgabe für die seitliche Schichtdickenvariation und ggf. einen Soll-Wert der Materialschichtdicke zu errechnen und ein Steuersignal für die der Rakel zugeordnete Stelleinheit zu generieren, um seitliche Schichtdickenvariation und ggf. die Materialschichtdicke gemäß der Vorgabe bzw. dem Soll-Wert einzustellen.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen
-
Fig. 1 bis 3 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers in aufeinanderfolgenden Phasen des Verfahrensablaufs, -
Fig. 4 das Verhalten des photopolymerisierbaren Materials beim Eintauchen der Bauplattform bzw. des unfertigen Formkörpers, -
Fig. 5 den Einschluss einer Luftblase während des Eintauchprozesses, -
Fig. 6 den Einsatz einer lateralen Variation der Materialschichtdicke zur Definition von Kontaktpunkten, welche die Anzahl der Blasen einschließenden Kontaktpunkte minimieren, -
Fig. 7 den Verdrängungsprozess von Material und einer Gasblase, -
Fig. 8 unterschiedliche Weglängen von Luftblasen abhängig von ihrer Position, -
Fig. 9 unterschiedliche Weglängen für eine Schichtgeometrie mit Ausnehmungen, -
Fig. 10 den Einsatz verschiedener Materialschichtdicken zur Minimierung der für die Verdrängung der Gasblasen eingesetzten Materialmenge, -
Fig. 11 den linearen Zusammenhang zwischen Schichtfläche und Materialschichtdicke, -
Fig. 12 den Einsatz verschiedener Materialschichtdicken zur Erhöhung des Materialflusses an Stellen mit möglichen Gaseinschlüssen mit langen Weglängen, und -
Fig. 13 den Einsatz einer ortsabhängig variierten Materialschichtdicke zur Verringerung des in der Wanne befindlichen Materials. - Die Funktionsweise einer Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf die
Fig. 1 bis 3 beschrieben, welche eine für sich gesehen bereits aus derEP 2505341 A1 bekannte Vorrichtung zeigen. Die in Luft oder einer anderen Gasatmosphäre befindliche Vorrichtung weist eine Wanne 1 auf, deren Wannenboden 2 zumindest in einem Teilbereich 3 durchsichtig oder durchscheinend ist. Dieser Teilbereich 3 des Wannenbodens erfasst zumindest die Ausdehnung einer Belichtungseinheit 4, die unter dem Wannenboden 2 angeordnet ist. Die Belichtungseinheit 4 weist eine nicht näher dargestellte Lichtquelle und einen Lichtmodulator auf, mit dem die Intensität von einer Steuereinheit gesteuert und ortsselektiv eingestellt werden kann, um ein Belichtungsfeld mit der für die momentan zu bildende Schicht gewünschten Geometrie an dem Wannenboden 2 zu erzeugen. Alternativ kann in der Belichtungseinheit auch ein Laser verwendet werden, dessen Lichtstrahl über einen beweglichen Spiegel, der von einer Steuereinheit gesteuert wird, das Belichtungsfeld mit dem gewünschten Intensitätsmuster sukzessive abtastet. - Der Belichtungseinheit 4 gegenüber ist über der Wanne 1 eine Bauplattform 5 vorgesehen, die von einem nicht dargestellten Hubmechanismus getragen wird, so dass sie in höhenverstellbarer Weise über dem Wannenboden 2 im Bereich über der Belichtungseinheit 4 gehalten wird. Die Bauplattform 5 kann ebenfalls durchsichtig oder durchscheinend sein.
- In der Wanne 1 befindet sich ein Bad aus hochviskosem photopolymerisierbaren Material 6. Der Materialspiegel 7 des Bades wird durch ein geeignetes Element definiert, wie z.B. eine Rakel, welche das Material in einer bestimmten Materialschichtdicke a gleichmäßig auf den Wannenboden 2 aufträgt. Der Wanne 1 kann beispielsweise eine Führungsschiene zugeordnet sein, auf der ein Schlitten in Richtung des Doppelpfeils 8 verschieblich geführt ist. Ein Antrieb sorgt für die Hin- und Herbewegung des Schlittens, der eine Halterung für eine Rakel aufweist. Die Halterung weist beispielsweise eine Führung und eine Verstelleinrichtung auf, um die Rakel in Richtung des Doppelpfeils 9 in Höhenrichtung zu verstellen. Damit kann der Abstand der Unterkante der Rakel vom Boden 2 der Wanne 1 eingestellt werden. Die Rakel kommt zum Einsatz, wenn sich die Bauplattform wie in
Fig. 1 dargestellt im angehobenen Zustand befindet, und dient dazu das Material 6 gleichmäßig unter Einstellung einer vorgegebenen Schichtdicke zu verteilen. Die sich beim Materialverteilungsvorgang ergebende Schichtdicke des Materials 6 ist durch den Abstand der Unterkante der Rakel vom Boden 2 der Wanne 1 definiert. - Die so entstandene Materialschichtdicke a ist dabei größer als die Formkörperschichtdicke b (
Fig. 2 ). Zur Definition einer Schicht aus photopolymerisierbarem Material wird in folgender Weise vorgegangen. Die Bauplattform 5, an der bereits Formkörperschichten 10', 10'' und 10‴ ausgebildet wurden, wird, wie inFig. 2 dargestellt, durch den Hubmechanismus in gesteuerter Weise abgesenkt, sodass die Unterseite der untersten Formkörperschicht 10‴ die Oberfläche des Materialbads 6 mit Höhe a zunächst berührt, dann eintaucht und sich dem Wannenboden 2 soweit nähert, dass zwischen der Unterseite der untersten Formkörperschicht 10‴ und dem Wannenboden 2 genau die gewünschte Formkörperschichtdicke b verbleibt. Während dieses Eintauchvorgangs wird photopolymerisierbares Material aus dem Zwischenraum zwischen der Unterseite der untersten Formkörperschicht 10‴ und dem Wannenboden 2 verdrängt. Sobald sich die Formkörperschichtdicke b eingestellt hat, erfolgt die für diese Formkörperschicht spezifische ortsselektive Belichtung, um die Formkörperschicht 10ʺʺ in der gewünschten Form auszuhärten. Nach der Bildung der Formkörperschicht 10ʺʺ wird die Bauplattform 5 mittels des Hubmechanismus wieder angehoben, was den inFig. 3 gezeigten Zustand herbeiführt. Das photopolymerisierbare Material 6 ist im belichteten Bereich nicht mehr vorhanden. - Diese Schritte werden nachfolgend mehrfach wiederholt, um weitere Formkörperschichten 10 aus photopolymerisierbarem Material zu erhalten. Der Abstand der Unterseite der zuletzt gebildeten Formkörperschicht 10 zum Wannenboden 2 wird auf die gewünschte Formkörperschichtdicke b eingestellt und daraufhin das photopolymerisierbare Material in der gewünschten Weise ortsselektiv ausgehärtet.
- Im Laufe des Bauprozesses kann es auf mehrere Arten zur Bildung von Luftblasen im photopolymerisierbaren Material kommen, die im Folgenden in Bezug auf
Fig. 4 beschrieben werden. - Die erste Möglichkeit zur Entstehung von Luftblasen geschieht während der Berührung des Materialbades 6 durch die Bauplattform 5 bzw. die unterste Formkörperschicht 10 (im Folgenden als "Kontaktierung" bezeichnet), wie anhand von
Fig. 4 erläutert wird. Die Kontaktierung findet zunächst nicht auf der ganzen Fläche der untersten Formkörperschicht 10 statt, sondern nur am Punkt 13 (im Folgenden als Kontaktpunkt bezeichnet) des geringsten Abstandes x zwischen der untersten Formkörperschicht 10 und der Materialoberfläche 7. Der Ablauf der Kontaktierung wird durch ungewollte Unregelmäßigkeiten in der Materialoberfläche (Fig. 4a ) und in der Bauplattform 5 bzw. der untersten Formkörperschicht 10 (Fig. 4b ) festgelegt, im letzteren Fall insbesondere durch nicht ausgehärtetes Material 12, das während des Anhebens der Bauplattform 5 an der Unterseite der zuletzt belichteten Formkörperschicht 10 anhaftet. Bei Absenken der Bauplattform 5 vergrößert sich der Kontaktpunkt 13 (Fig. 4c ) schnell auf eine Kontaktfläche (Fig. 4d ), weil die Oberflächen aufgrund von Adhäsionskräften und Oberflächenspannung zwischen Material und der Bauplattform 5 bzw. der untersten Formkörperschicht 10 zusammengezogen werden und der Punkt sich zu einer Fläche vergrößert. - Während dieses Prozesses kann es auch an anderen Stellen zu Berührungen und Kontaktflächen kommen. In ungünstigen Fällen schließen mehrere Kontaktflächen beim Zusammenwachsen Luft- bzw. Gasblasen ein.
Fig. 5 zeigt diesen Fall, wobei der Einfachheit halber ohne Beschränkung der Allgemeinheit ein zweidimensionales System angenommen wird.Fig. 5a zeigt die letztgebildete Formkörperschicht 10 des unfertigen Formkörpers 11, an dem nicht ausgehärtetes Material 12 klebt, und das Material 6 in der Wanne 1. Das nicht ausgehärtete Material 12 bildet gleichzeitig zwei Kontaktpunkte 13 (Fig. 5b ), wodurch eine Gasblase 14 eingeschlossen wird. Bei weiterer Absenkung der Bauplattform 5 (Fig. 5c ) wird die Gasblase ebenfalls nach unten gedrängt und berührt sowohl den Wannenboden 2 als auch die Bauplattform 5 bzw. die unterste Formkörperschicht 10. - Je größer die Bauteilfläche ist, desto höher ist die Zahl der Einschlüsse, da jede Kontaktfläche eine begrenzte Ausdehnung besitzt und außerhalb davon jederzeit neue Kontaktpunkte entstehen können, während das Bauteil weiter abgesenkt wird.
- Speziell bei der ersten Formkörperschicht 10' kommt es sehr häufig zum Einschluss von Luft- bzw. Gasblasen, da die gesamte Bauplattform 5, die in der Regel die Fläche der Formkörperschichten 10 übersteigt, in das photopolymerisierbare Material 6 eintaucht und die Wahrscheinlichkeit für mehrere Kontaktpunkte steigt.
- Die zweite Möglichkeit zur Entstehung von Luftblasen findet während des Anhebens statt. Beim Ablösen der belichteten Schicht vom Wannenboden 2 kommt es speziell bei komplizierten Schichten (d.h. Schichten mit vielen Ausnehmungen und, in Folge, viel Rand) zu einer Schaumbildung.
- Die Wahrscheinlichkeit für Lufteinschlüsse ist geringer, wenn die Bauplattform 5 bzw. die unterste Formkörperschicht 10 und die Oberfläche 7 des Materials 6 bei ihrer Berührung nicht parallel sind, wodurch die Kontrolle über die Position der Kontaktpunkte und den Zeitpunkt ihres Beginns maßgeblich erhöht wird. Das kann in verschiedenen Ausformungen realisiert werden, z.B. durch eine winkel-, höhen- oder formverstellbare Wanne 1 oder Bauplattform 5. Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird dies jedoch durch eine schräge oder unebene Materialoberfläche 7 erreicht, was mechanisch einfacher zu realisieren ist und mehr Möglichkeiten bietet, z.B. eine wellenförmige Oberfläche 7 oder eine schiefe Oberfläche 7. Durch eine entsprechend gewählte Materialoberfläche 7 kann erreicht werden, dass sich ein einziger Kontaktpunkt sukzessive über die ganze Bauteiloberfläche ausbreitet und keine weiteren Kontaktpunkte entstehen.
-
Fig. 6a zeigt eine Ausführung mit einer solchen Materialschicht 6, deren Schichtdicke a ortsabhängig bzw. in seitlicher Richtung variiert. Im konkreten Fall bildet die Materialoberfläche 7 eine schiefe Ebene und es entsteht dadurch der erste Kontaktpunkt 13 am höchsten Punkt der schiefen Ebene, wobei sich der erste Kontaktpunkt 13 sukzessive über die Bauteiloberfläche ausbreitet.Fig. 6b zeigt eine analoge Ausführung, bei der die Materialoberfläche pyramiden- oder kegelförmig ist. - Die bei der Berührung des Materialbades 6 durch die Bauplattform 5 bzw. die unterste Formkörperschicht 10 entstehenden Luftblasen können durch teilweises seitliches Herauspressen des Materials 6 unterhalb der Bauplattform 5 bzw. der untersten Formkörperschicht 10 entfernt werden, was im Folgenden anhand von
Fig. 7 beschrieben wird. Die unterste Formkörperschicht 10 kontaktiert das Material beim Absenken der Bauplattform 5 auf der Höhe a und übt während ihrer weiteren Absenkung auf die Formkörperschichtdicke b Kraft auf das Material 6 unterhalb aus, wodurch es seitlich aus dem Spalt 15 zwischen der untersten Formkörperschicht 10 und dem Wannenboden 2 hinausgedrückt wird. Wenn sich Luftblasen 14 im Material befinden, werden sie vom Materialfluss mitgenommen. - In
Fig. 7a ist ersichtlich, dass eine Luftblase 14 eingeschlossen wurde. Der Materialfluss nimmt die Blase 14 zum Bauteilrand mit (Fig. 7b ), wo sie zur Materialoberfläche 7 aufsteigt (Fig. 7c ) und sich nicht mehr im zu belichtenden Bereich befindet. - Mit wachsender Fläche einer Schicht erhöht sich die Zahl der Luftblasen 14, aber proportional dazu die Materialmenge im Spalt 15 und damit auch der Materialfluss. Gleichzeitig steigt auch die Weglänge, die eine Luftblase 14 bis zum äußeren Rand des Bauteiles 11 zurücklegen muss, und damit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass sie ganz aus dem Spalt 15 zwischen Bauteil 11 und Wannenboden 2 hinausgedrängt wird.
Fig. 8a zeigt eine Formkörperschicht eines zylindrischen Formkörpers 11, konkret einen Kreis mit Radius R1. Die Pfeile illustrieren die verschiedenen Weglängen, die eine Blase 14, die an den Punkten A, B, C oder D entsteht, zurücklegen muss. Im Vergleich dazu haben Blasen E und F (Fig. 8b ), die bei einem zylindrischen Formkörper mit Radius R2, der kleiner ist als R1, entstehen können, geringere Weglängen, und es ist somit auch eine geringere Materialschichtdicke zur Herstellung eines ausreichenden Flusses notwendig. - Wenn die unmittelbar vor der aktuellen Formkörperschicht gebauten Schichten Ausnehmungen 16 besitzen, kann auch Materialfluss in diese Ausnehmungen 16 stattfinden, wie in
Fig. 9 dargestellt wird (Punkte G und H und ihre durch Pfeile dargestellten Weglängen). Dadurch wird die durchschnittliche Weglänge der Luftblasen 14 verringert. Gleichzeitig ist damit der Materialfluss aber nicht eindeutig nach außen (also vom Bauteil weg) definiert, was zu Stellen im Spalt zwischen der untersten Formkörperschicht 10 und dem Wannenboden 2 ohne Materialfluss führen kann, an denen Luftblasen 14 dann verharren (Punkte I, J), sowie zu generell verschlechtertem Materialfluss. Die Geometrie des Bauteils kann also die Entfernung von Luftblasen 14 durch Materialverdrängung sowohl positiv als auch negativ beeinflussen. - Ausnehmungen erschweren die Entfernung von Luftblasen 14 des Weiteren auch durch die Tatsache, dass eine Luftblase 14 sich von einer eine Ausnehmung 16 begrenzenden Kante am Bauteil 11 aufgrund von Oberflächenspannungen nur unter Krafteinfluss löst.
- Die Menge des hinausgedrückten oder in Löcher 16 in der untersten Formkörperschicht 10 gedrückten Materials sowie der Materialfluss verschwinden bei Wahl der Schichtdicke a der Materialschicht 6 und der Schichtdicke b der Formkörperschicht, sodass a=b, und steigen mit zunehmender Materialschichtdicke a. Eine Erhöhung der Materialschichtdicke a sorgt also für eine verringerte Menge an Luftblasen 14 nach der Absenkung der Bauplattform 5.
- Speziell bei hochviskosem (z.B. keramisch gefülltem) photopolymerisierbaren Material und kleinen Formkörperschichtdicken (b < 100 µm) kann das Absenken der Bauplattform 5 bzw. des unfertigen Formkörpers 11 bei hohen Materialschichtdicken a nur langsam vorgenommen werden, da dem Material 6 genug Zeit zum Ausfluss aus dem Spalt 15 zwischen der Bauplattform 5 bzw. der untersten Formkörperschicht 10 und dem Wannenboden 2 gegeben werden muss. Diese Wartezeit erhöht sich mit steigender Materialschichtdicke a und führt zu einer signifikanten Verlängerung der Gesamtprozesszeit.
- Weiters ist bei hoher Materialschichtdicke a eine Verschlechterung der Bauteilpräzision und -qualität zu verzeichnen. Zum einen wird eine größere Menge an Material Streulicht und anderen ungünstigen Einflüssen ausgesetzt, was seine Qualität verschlechtert. Zum anderen übt das Material während seiner Verdrängung eine höhere Kraft auf den unfertigen Formkörper 11 aus, was zu (vorübergehender) Deformierung des Bauteils 11 und Schichthöhenfehlern führen kann. Für das photopolymerisierbare Harz mit dem Füllstoff Al2O3 hat es sich gezeigt, dass bei einer fixen Formkörperschichtdicke b von 25 µm folgende Werte der Materialschichtdicke a vorteilhaft sind:
- a=100 µm für einen Bauteildurchmesser d=0,5 mm
- a=250 µm für einen Bauteildurchmesser d=4 mm, und
- a=400 µm für einen Bauteildurchmesser d=8 mm.
- In der Regel wird aus den oben genannten Gründen versucht, die Materialschichtdicke a so gering wie möglich zu halten. Bei herkömmlichen Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers wird die Materialschichtdicke a einmal festgelegt und über den gesamten Bauprozess des betreffenden Formkörpers gleich gelassen.
- Alternativ dazu kann jedoch vorgesehen sein, dass die Materialschichtdicke a während des Bauprozesses wenigstens einmal angepasst wird, und zwar insbesondere im Hinblick auf eine Optimierung der Blasenverdrängung bei gleichzeitiger Minimierung der Schichtdicke, um die beschriebenen Nachteile großer Schichtdicken möglichst zu vermeiden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine optimale Schichtdicke a der Materialschicht 6 für jede zu belichtende Formkörperschicht neu bestimmt wird, sodass der beim Eintauchen des Bauteils 11 ins Material 6 entstehende Materialfluss ausreicht, um die Verdrängung der Gasblasen 14 aus dem zu belichtenden Bereich zu gewährleisten. Die Materialschichtdicke a ist somit eine Funktion der Schichtnummer n: a = f(n).
- In
Fig. 10a (geringe Materialschichtdicke a) undFig. 10b (höhere Materialschichtdicke a) werden zwei Fälle verglichen. Die zuletzt erzeugte Formkörperschicht 10‴ besitzt inFig. 10a eine geringe Fläche (Erstreckung y) und inFig. 10b eine große Fläche (Erstreckung z). Erfindungsgemäß gilt deshalb für die Materialschichtdicke a, dass diese im Falle derFig. 10a kleiner gewählt werden kann als im Falle derFig. 10b , um den für die Blasenverdrängung notwendigen Fluss herzustellen. - Bevorzugt wird die notwendige Materialschichtdicke durch Bestimmung des geometrisch bedingten Materialflusses und der geometrisch bedingten Weglängen von möglicherweise vorhandenen Blasen abgeschätzt, in der Regel von einer angeschlossenen Recheneinheit.
- Bevorzugt wird bei Auftreten von Kanten im unfertigen Formkörper 11 oder Unebenheiten in der Wanne 1, von denen sich Luftblasen 14 schwer lösen, die Materialschichtdicke a erhöht.
- In einer Ausführungsform ist die Materialschichtdicke a von der Fläche der davor gebildeten Formkörperschicht abhängig. In
Fig. 11 ist ein bevorzugter linearer Zusammenhang zwischen der Fläche A der vorangehenden Formkörperschicht und der Materialschichtdicke a dargestellt. - In weiteren Ausführungsformen ist die Materialschichtdicke a(n) für eine gegebene Schicht n nicht konstant, sondern lateral ortsabhängig, also a(n,x,y), wobei n eine Variable für die Schichtnummer darstellt. Dies kann verschiedene positive Effekte haben, wie im Folgenden erläutert wird.
- In einer Ausführungsform mit ortsabhängiger Materialschichtdicke a(n,x,y) wird die Materialschichtdicke a an Stellen, an denen potentiell Blasen mit großer Verdrängungsweglänge entstehen, gegenüber dem Rest der Materialschicht 6 erhöht, um lokal für einen größeren Materialfluss zu sorgen.
Fig. 12 zeigt eine im Zentrum einer kreisförmigen Materialschicht 6 erhöhte Materialschichtdicke a'. - In einer weiteren Ausführungsform mit ortsabhängiger Materialschichtdicke a(n,x,y) ist die Materialoberfläche signifikant uneben, um die Kontaktpunkte zu definieren und die Anzahl der Blasen 14 einschließenden Kontaktpunkte 13 zu minimieren.
Fig. 6a zeigt eine Ausführung mit ortsabhängiger Materialschichtdicke a, bei der die Materialoberfläche 7 eine schiefe Ebene bildet und dadurch der erste Kontaktpunkt 13 am höchsten Punkt der schiefen Ebene entsteht und sich sukzessive über die Bauteiloberfläche ausbreitet.Fig. 6b zeigt eine analoge Ausführung, bei der die Materialoberfläche pyramiden- bzw. kegelförmig ist. - In einer weiteren Ausführungsform mit ortsabhängiger Materialschichtdicke a(n,x,y) wird im Wesentlichen nur an zu belichtenden Stellen Material aufgetragen, um die Beeinträchtigung des Materials durch Streulicht zu minimieren. In
Fig. 13 wird die nächste zu belichtende Schicht 10‴ sowie die annähernd in diesem Bereich vorhandene Materialschicht 6 dargestellt. - Um die Materialschichtdicke a(x,y,n) herzustellen, ist ein verstellbares Element, wie z.B. eine Rakel, oder eine verstellbare Wanne 1 bevorzugt, die das Material vor der Belichtung der Formkörperschicht n auftragen.
Claims (14)
- Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers aus hochviskosem photopolymerisierbarem Material mit einer Viskosität von mindestens 10 Pa*s, insbesondere einem Harz mit keramischem Füllstoff, bei dem nacheinander Formkörperschichten übereinander ausgebildet werden, indem jeweils in einer Wanne (1) eine Materialschicht (6) vorgegebener Dicke des hochviskosen photopolymerisierbaren Materials ausgebildet wird und die Bauplattform (5) oder der an der Bauplattform zumindest teilweise aufgebaute Formkörper in die Materialschicht abgesenkt wird, sodass sich zwischen der Bauplattform bzw. dem Formkörper und dem Wannenboden eine Schicht des hochviskosen photopolymerisierbaren Materials ausbildet, die insbesondere durch Bestrahlung durch den Wannenboden hindurch ortsselektiv zur Ausbildung der gewünschten Form der Formkörperschicht ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Materialschicht (6) vor dem Absenken der Bauplattform oder der an der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper in die Materialschicht in seitlicher Richtung eine Schichtdickenvariation aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenvariation in lediglich einer seitlichen Erstreckung oder in zwei quer zueinander stehenden seitlichen Erstreckungen vorgesehen ist.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Materialschicht (6) einen rampenförmigen Bereich aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Materialschicht (6) einen kegelförmigen Bereich aufweist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (a) der Materialschicht (6) während des Aufbaus des Formkörpers (11) zumindest einmal variiert wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform (5) nach dem Aushärtungsschritt angehoben und zur Ausbildung der nächsten Formkörperschicht (10) wieder in die Wanne (1) abgesenkt wird, nachdem Material unter der angehobenen Bauplattform (5) nachgeführt wurde, um die Materialschicht (6) auszubilden.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführung des Materials mittels Materialverteilung mit Hilfe einer Rakel vorgenommen wird, wobei die Schichtdicke (a) der Materialschicht (6) durch Einstellung des Abstands zwischen der Unterkante der Rakel und dem Wannenboden (2) eingestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschichtdicke (a) in Abhängigkeit von einem errechneten Wert der Verdrängungsweglänge von an der Grenzfläche zwischen der Bauplattform (5) bzw. dem Formkörper (11) und dem hochviskosen photopolymerisierbaren Material entstehenden Blasen (14) variiert wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschichtdicke (a) in Abhängigkeit von der Fläche der vorangehenden Formkörperschicht (10) variiert wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschichtdicke (a) und/oder die seitliche Schichtdickenvariation für die Herstellung jeder Formkörperschicht (10) neu errechnet wird.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend- eine Wanne (1) mit einem zumindest bereichsweise lichtdurchlässigen Boden (2), in die hochviskoses photopolymerisierbares Material mit einer Viskosität von mindestens 10 Pa*s einfüllbar ist,- eine in einstellbarer Höhe und/oder mit einstellbarer Neigung über dem Wannenboden (2) gehaltene Rakel zum Ausbilden einer Materialschicht (6) auf dem Wannenboden (2), wobei zur Höhenverstellung eine Stelleinheit vorgesehen ist,- eine Bauplattform (5), die in einstellbarer Höhe über dem Wannenboden (2) gehalten ist,- eine Bestrahlungseinheit, die zur ortsselektiven Bestrahlung einer zwischen der Unterseite der Bauplattform (5) und dem Wannenboden (2) ausgebildeten Formkörperschicht (10) ansteuerbar ist,- einen elektronischen Speicher für ein virtuelles dreidimensionales Modell der Formkörperschichten (10) und des daraus aufgebauten Formkörpers (11), gekennzeichnet durch- eine Steuereinheit, der das virtuelle Modell der Formkörperschichten (10) zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, in aufeinanderfolgenden Bestrahlungsschritten übereinanderliegende Formkörperschichten (10) auf der Bauplattform (5) jeweils mit vorgegebener Geometrie durch Steuerung der Bestrahlungseinheit zu polymerisieren und in Abhängigkeit von der Geometrie der jeweiligen Formkörperschicht (10) eine Vorgabe für die seitliche Schichtdickenvariation und ggf. einen Soll-Wert der Materialschichtdicke (a) zu errechnen und ein Steuersignal für die der Rakel zugeordnete Stelleinheit zu generieren, um seitliche Schichtdickenvariation und ggf. die Materialschichtdicke (a) gemäß der Vorgabe bzw. dem Soll-Wert einzustellen.
- Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, um die Materialschichtdicke (a) in Abhängigkeit von einem errechneten Wert der Verdrängungsweglänge von an der Grenzfläche zwischen der Bauplattform (5) bzw. dem Formkörper (11) und dem hochviskosen photopolymerisierbaren Material entstehenden Blasen (14) zu errechnen.
- Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Wert der Materialschichtdicke (a) in Abhängigkeit von der Fläche der vorangehenden Formkörperschicht (10) errechnet wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Wert der Materialschichtdicke (a) für die Herstellung jeder Formkörperschicht (10) neu errechnet wird.
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